Afvalplastic een tweede leven geven als hoogwaardige koolstofnanomaterialen

A studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie heeft aangetoond dat kunststoffen, in plaats van te worden weggegooid, kunnen worden omgezet in waardevolle koolstofnanomaterialen die zowel energie- als milieuproblemen helpen oplossen.

Kunststoffen vormen een van de meest hardnekkige afvalproblemen ter wereld: ze zijn duurzaam, moeilijk te recyclen en vervuilen ons milieu steeds meer.

Het onderzoeksteam, gevestigd aan de Universiteit van Adelaide, demonstreerde een universele en schaalbare methode om gewone kunststoffen, waaronder PET, PVC, polyethyleen en polypropyleen en hun mengsels, te upcyclen tot single-atom-katalysatoren (SAC’s).

Deze geavanceerde materialen bevatten metaalatomen verankerd en geïsoleerd in een grafeensubstraat, waardoor ze zeer efficiënt zijn in chemische reacties. SAC’s geproduceerd uit plastic afval vertoonden uitstekende prestaties bij het afbreken van diverse microverontreinigingen in water en bij het stimuleren van schone energietechnologieën zoals batterijen en brandstofcellen.

Bij de Australische Synchrotron van ANSTO in Melbourne gebruikten onderzoekers röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) om de structuur van de katalysatoren op atomaire schaal te onderzoeken. Deze metingen bevestigden dat de metalen geen nanodeeltjes vormden, maar verspreid waren als afzonderlijke atomen, chemisch gebonden binnen het koolstofraamwerk in de gunstige coördinatieomgeving – de geheime saus achter hun uitzonderlijke prestaties.

“Dit project benadrukt hoe geavanceerde karakterisering bij de Synchrotron doorbraken op het gebied van duurzaamheid mogelijk maakt”, zegt Dr. Bernt Johannessen, senior wetenschapper bij het Australische Synchrotron en co-auteur van de studie.

“Door de atomaire structuur van deze nieuwe katalysatoren te onthullen, hebben we het team geholpen te begrijpen waarom ze zo goed werken en hoe de methode kan worden geschaald. De XAS-techniek is een uniek krachtig hulpmiddel in onderzoeken als deze, omdat het duidelijk onderscheid kan maken tussen nanodeeltjes en locaties met werkelijk één atoom, en we zien een sterke stijging in de vraag van onderzoekers over de hele wereld die op dit gebied werken”, voegde hij eraan toe.

Eerste auteur Dr. Shiying Ren van de Universiteit van Adelaide voegde hieraan toe: “Ons werk laat zien dat kunststoffen, die doorgaans als afval en als milieubelasting worden beschouwd, feitelijk een waardevolle hulpbron kunnen zijn voor het maken van geavanceerde katalysatoren. Deze aanpak opent een duurzaam pad om zowel plasticvervuiling als de vraag naar nieuwe materialen aan te pakken.”

A/Prof. Xiaoguang Duan, een hoofdauteur van het artikel, zei: “Wat ons opwindt is de veelzijdigheid van de methode: het werkt met verschillende kunststoffen en mengsels, en produceert geavanceerde maar toch goedkope katalysatoren die kunnen worden toegepast in waterzuivering, batterijen en nog veel meer. De inzichten uit synchrotron-röntgenstralen waren essentieel om te bewijzen hoe de katalysatoren zijn gestructureerd en waarom ze zo goed presteren.”

De ontdekking biedt een krachtige manier om afvalplastic een tweede leven te geven als hoogwaardige materialen, waardoor zowel een circulaire economie als schone technologieën van de volgende generatie worden bevorderd.

In tegenstelling tot veel andere recyclingbenaderingen werkt deze methode met meerdere kunststoffen en zelfs mengsels, waardoor opbrengsten op gramschaal worden geproduceerd die wijzen op haalbaarheid in de echte wereld.

De atomaire inzichten die mogelijk werden gemaakt door ANSTO’s XAS Beamline waren essentieel voor het ontsluiten van deze duurzame oplossing. Door te bevestigen dat de metalen werkelijk aanwezig waren als geïsoleerde afzonderlijke atomen, leverde XAS het bewijs dat nodig was om te begrijpen waarom deze katalysatoren zo effectief zijn.

“Dit is een geweldig voorbeeld van hoe onze capaciteiten rechtstreeks duurzaamheidsonderzoek met grote impact ondersteunen”, voegde Dr. Johannessen eraan toe.

“De Adelaide-groep, geleid door professor Shaobin Wang en A/Prof Xiaoguang Duan, is een van de meest productieve in het veld, en onze samenwerking laat zien hoe synchrotronwetenschap de innovatie op het gebied van milieu- en energietechnologieën kan versnellen.”

Deze doorbraak maakt deel uit van een groeiend oeuvre van het team en de medewerkers van Adelaide. In een gerelateerd Natuurcommunicatie papierrapporteerden de onderzoekers een complementaire faseveranderingsstrategie met zoutsjabloon die een brede bibliotheek van katalysatoren met één atoom en meerdere atomen creëert met op maat gemaakte atomaire omgevingen.

Samen benadrukken deze onderzoeken hoe nieuwe materialen op rationele wijze kunnen worden ontworpen voor milieu- en energietoepassingen. En hoe synchrotronkarakterisering dit mogelijk maakt.